浅谈激光物理的理论基础

摘 要：20世纪中叶以后由于量子电子学的发展而出现了一个新的分支，即激光物理。激光物理是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学技术、理论与实践紧密结合的灿烂成果。本文主要论述了激光物理理论的酝酿过程，对受激辐射、负吸收、离子束反转这几个激光物理基本理论的建立过程做了研究和分析

关键词：激光物理；受激辐射；离子束反转

中国分类号：G633.7

20世纪中叶以后由于量子电子学的发展而出现了一个新的分支，以研究激光物理机制，探索新型激光器而形成了专门的科学，即激光物理。激光物理是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学技术、理论与实践紧密结合的灿烂成果。激光物理的发展已经半个世纪有余，在这短短的时间里，激光物理不仅推动了近代物理的快速发展，同时也大大加快了各个学科的发展进程。

一、光量子理论的提出

光量子理论是爱因斯坦为了解释光电效应现象，受普朗克能量子理论启发而提出的。

l895年。德国实验物理学家维恩（W.Wien.1864-l928）在研究黑体辐射时，假设电磁辐射遵循麦克斯韦（J.C.Maxwell.l83l- l879）气体分子分布规律，推导出一个著名的辐射能量分布公式。但此式在频率较高、温度较低时，理论值与实验值比较符合，但在频率较低的长波区域，则理论值与实验值出现较大偏差。1900年，英国人瑞利（ Rayleig.1842-1919）在研究黑体辐射时，利用麦克斯韦的能量均分定律及电磁波辐射可能形成驻波理论提出另一个热辐射分布律，后经金斯（J.H.Jeans.l877-l946）修正成为瑞利-金斯公式，当频率较低时，瑞利一金斯公式理论值与实验结果比较符合。但当频率较高时，就与实验结果表现出很大的差异。为了解决这个问题，从1894年就把注意力转向黑体辐射的德国物理学家普朗克（M.Planck.1858-1947）在维恩与瑞利-金斯定律相应的热力学表达式之间进行内插，得到了新的辐射公式，与实验符合的很好。于是他提出一个以频率v振动的谐振子只能取v、2v、3v…这样分离的能级，他引入E=hv的能量子概念，这是谐振子能够吸收和发射的最小能量值，即谐振子的能量取不连续hv的整数倍的定值，不像经典理论所描述的连续任意的能量值。这样就圆满的解释了黑体辐射。

二、爱因斯坦受激辐射理论的提出

在普朗克的启发下，爱因斯坦在光量子概念的基础上解释了光电效应实验。所谓“光电效应”是指在光的照射下金属表面发射电子的现象。最早观察到光电效应的是德国物理学家赫兹（H.N.Hertz.1857-1894），1887年，他在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受到光辐射影响。经过极其细致的观察和分析后，赫兹发表了题为《紫外光对放电的影响》一文，这是发现光电效应的最早记录。

爱因斯坦认为分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的，即使在平衡条件下也会有分子与辐射场之间的能量交换所引起的涨落。并假定气体分子（普朗克谐振子）能态之间的跃迁是以三种基本作用进行的：（1）自发辐射，（2）受激吸收，（3）受激辐射。

自发辐射是指处于上能级的原子按一定的辐射跃迁定则向下能级跃迁并伴随着辐射出一个能量为 的光子。物质的这种发光过程是在没有任何外界作用的情况下完全自发和独立进行的。

受激吸收不是自发产生的，必须吸收外来光子才会发生，该过程的发生不仅与原子本身的性质有关，还与趋近它的光场和原子密度有关。

受激辐射是指处于上能级E2的原子，若有一频率满足 的外来光子趋近它，入射光子就能以一定得几率驱使原子从能级E2到能级E1，并释放出能量为 的光辐射，叠加到入射光场上。受激辐射产生的光子与引起这种辐射的原来光子的性质与状态完全相同，同属一个光子态，即具有相同的频率、方向和偏振态，对大量的光子而言，还可以证明他们的相位也是几乎相同的。

所以，由受激吸收与受激辐射的特点可以看出，当同样的光辐射作用在同一个原子体系时，受激吸收使原来的光辐射有所减弱，而受激辐射则使得原来的光辐射有所增强，两种过程同时存在，彼此互相竞争。当原子受激辐射过程占主导地位时，光通过原子体系后呈现放大现象。由此可见，受激辐射是产生激光的最基本过程。

三、离子束反转-产生激光的必要条件

爱因斯坦靠思维的洞察力，肯定了观测仪器尚未发现的受激辐射现象的存在。遗憾的是，对这个大胆的科学构想，并没有引起物理界的广泛注意，甚至还遭到了一些怀疑和批评。因为激光必须产生在激发的原子与辐射的相互过程中，产生的速率正比于光源中高能态的密度。然而，正常的能态分布是由玻耳兹曼分布决定的，在热平衡的条件下，处于两个能级E1和E2上的原子密度（单位体积中的原子数）N1和N2按能级分布的玻耳兹曼公式是： ，其中，T是热平衡时气体的绝对温度。所以，从上式可得，上能级的原子密度总是小于下能级的原子密度，上下能级间的能量差（E2-E1）越大，或者气体的温度越低，上能级的原子密度就越小。因此受激态E2原子在受激发射中所产生的光子未来得及辐射出去就已被大量基态E1原子吸收了，受激发射过程被同时发生的大量吸收过程完全淹没。要使受激发射压倒受激吸收，即使受激态E2能量原子密度大于基态能量E1，就必须使式子 反过来，即温度T就要取负值，实现离子束反转。

对科学结论如果没有科学的态度，一味盲目的听从、偏听偏信、不加分析、固执己见，则一切结论都将成为传统的偏见和顽固的保守主义，这对科学发展，和会进步都是有害无益的。所以，在科研工作中要始终保持冷静的头脑，相信科学、相信真理、不盲从权威和接受指导、学习别人的辩证关系，以充分发挥自己的特长。

参考文献

[1] 王较过， 郑荣平. 光量子理论的确立和发展[J]. 咸阳师范学院报，2005.

[2] 郭奕玲， 沈慧君. 近代物理实验简介[M]. 山东： 山东教育出版社，2001.

[3] 伽本尼著， 北京大学激光教研室译. 光学物理[M]. 北京： 科学出版社，1976.